Un team di ricercatori del 5° Istituto di fisica dell'Università di Stoccarda sta facendo importanti progressi nel campo della simulazione quantistica e del calcolo quantistico basato sugli atomi di Rydberg superando una limitazione fondamentale:la durata limitata degli atomi di Rydberg. Gli stati circolari di Rydberg stanno mostrando un enorme potenziale per superare questa limitazione.
L'articolo è pubblicato sulla rivista Physical Review X .
Nel mondo dell’informatica quantistica e della tecnologia di simulazione quantistica, c’è una sfida fondamentale quando si utilizzano atomi neutri:la durata degli atomi di Rydberg, che sono gli elementi costitutivi dell’informatica quantistica, è limitata. Ma esiste una soluzione promettente:gli stati circolari di Rydberg.
Per la prima volta, il gruppo di ricerca è riuscito a generare e catturare atomi Rydberg circolari di un metallo alcalino-terroso in una serie di pinzette ottiche.
"Questo è entusiasmante perché sono particolarmente stabili e possono prolungare enormemente la durata di un bit quantistico. Hanno quindi un grande potenziale per lo sviluppo di simulatori quantistici più potenti", afferma il dott. Florian Meinert, capo del gruppo di ricerca Junior del 5° Institute of Physics, responsabile del progetto.
Un atomo di Rydberg circolare è un tipo particolare di atomo di Rydberg in cui l'elettrone eccitato segue un percorso circolare attorno al nucleo atomico. Rispetto ad altri stati di Rydberg, questi atomi hanno una maggiore stabilità e una durata di vita più lunga. Ciò li rende candidati attraenti per l'uso come qubit.
Gli stati circolari di Rydberg sono noti da decenni e sono stati la chiave per gli esperimenti sulla natura quantistica dell’interazione luce-materia, vincitori del premio Nobel. Recentemente si è discusso sempre più spesso del potenziale di questi stati per l'informatica quantistica.
Per creare l'atomo Rydberg è stato scelto lo stronzio, un metallo alcalino-terroso con due elettroni otticamente attivi, poiché offre possibilità uniche. Una volta preparato nello stato circolare di Rydberg, il secondo elettrone in orbita attorno al nucleo atomico può essere utilizzato per operazioni quantistiche già note dalla ricerca sui computer quantistici ionici.
Il gruppo di ricerca ha dimostrato la generazione di stati circolari ad altissima energia di un isotopo di stronzio con una durata sorprendentemente lunga fino a 2,55 millisecondi a temperatura ambiente. Hanno sfruttato le proprietà speciali di una cavità che sopprime la radiazione di fondo interferente del corpo nero, che spingerebbe il sensibile elettrone di Rydberg in altri livelli di Rydberg energeticamente vicini.
Senza questa protezione, gli Stati circolari non sarebbero in grado di sopravvivere a lungo. "Devono la loro maggiore durata anche al loro momento angolare massimo, che li protegge dal decadimento. Ciò significa che i bit quantistici sono più stabili e quindi meno suscettibili agli errori e alle interferenze esterne", spiega Christian Hölzl, Ph.D. studente presso il V Istituto di Fisica.
Un altro aspetto importante della ricerca è stato il controllo preciso e la manipolazione di un bit quantistico a microonde codificato in stati circolari. Questo cosiddetto controllo coerente ha permesso agli scienziati di utilizzare impulsi a microonde per commutare il qubit tra stati diversi senza perdere le sue informazioni quantistiche.
Sono stati in grado di determinare con precisione la durata del bit quantistico e di ottenere importanti informazioni sulla sua stabilità a temperatura ambiente. Un controllo efficace e coerente è fondamentale per eseguire operazioni quantistiche e renderle precise e affidabili.
Gli atomi circolari di Rydberg offrono una moltitudine di possibilità per eseguire operazioni quantistiche e, in particolare, simulazioni quantistiche. "La loro versatilità li rende attraenti per un'ampia gamma di applicazioni", afferma il Prof. Tilman Pfau, direttore del 5° Istituto di fisica e del Centro sovraregionale Carl Zeiss Foundation per la fotonica quantistica a Jena, Stoccarda e Ulm (CZS Center QPhoton).
Poiché gli atomi circolari di Rydberg possono essere intrappolati in modo specifico e manipolati con precisione in pinzette ottiche o altri tipi di trappole, offrono possibilità per un'architettura scalabile che potrebbe essere vantaggiosa in futuro per la costruzione di grandi sistemi di bit quantistici basati su atomi neutri.
Ulteriori informazioni: C. Hölzl et al, Qubit Rydberg circolari di lunga durata di atomi alcalino-terrosi in pinzette ottiche, Revisione fisica X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021024
Informazioni sul giornale: Revisione fisica X
Fornito dall'Università di Stoccarda
